仿生撲翼飛行機(jī)器人研究中若干問(wèn)題的思考

1、仿生撲翼飛行機(jī)器人研究中若干問(wèn)題的思考金曉怡 1,2顏景平 1(1東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210096 2常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,常州 213002 摘 要:在成功研制仿生撲翼飛行機(jī)器人樣機(jī)的基礎(chǔ)上,提出仿生撲翼飛行機(jī)器人研究中值得思考的若干問(wèn)題。 有關(guān)低雷諾數(shù)問(wèn)題,提出以動(dòng)量定理為基礎(chǔ)分析昆蟲(chóng)翅膀產(chǎn)生高飛行升力方法具有合理性的觀點(diǎn);有關(guān)非定常 微分方程問(wèn)題,提出非定常微分方程并非解決一切問(wèn)題之關(guān)鍵的觀點(diǎn);有關(guān)翅變形問(wèn)題,提出采用柔性翅的模 型翅膀進(jìn)行研究的觀點(diǎn)。關(guān)鍵詞:仿生撲翼飛行機(jī)器人 低雷諾數(shù)問(wèn)題 非定常微分方程問(wèn)題 翅變形問(wèn)題中圖分類(lèi)號(hào):TB17, TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AThe

2、 thinking about some problems on the research of the bionics flapping aerocraft Jin Xiaoyi1, 2 Yan Jingping 1(1. College of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, china;2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Changzhou institute of technology, Changzhou 213002, chi

3、na Abstract :Based on the investigation of the bionics flapping aerocraft successfully, some problems on its research are pointed out. For the problem of lower Reynolds number, it puts forward that the analysis of the flight force for the insect wing which is based on the momentum theorem is reasona

4、ble. For the problem of the unsteady differential equation, it puts forward that the unsteady differential equation isnt the key to solve all the problems. For the problem of the wing distortion, it puts forward that the model of the flexible wing should be adopted on the research. It is expects tha

5、t investigators working on the bionics flapping aerocraf will pay attentions to the problems and viewpoints in this paper.Key words:the bionics flapping aerocraft, the problem of lower Reynolds number, the problem of the unsteady differential equation, the problem of the wing distortion0 前言微型飛行機(jī)器人的雷

6、諾數(shù)與自然界的昆蟲(chóng)相當(dāng),其最適合的飛行方式是仿昆飛行。仿生撲翼飛 行機(jī)器人既是一種新型移動(dòng)方式的微型機(jī)器人,又是一種新概念的微型飛行器,在軍事和民用領(lǐng)域 都有著廣闊的應(yīng)用前景。仿生撲翼飛行機(jī)器人的研究方向很多,隨著其研究的不斷深入,研究范疇 也在不斷擴(kuò)大。國(guó)內(nèi)、外很多科研機(jī)構(gòu)都將仿生撲翼飛行機(jī)器人研究作為長(zhǎng)期研究項(xiàng)目。東南大學(xué)仿生撲翼飛 行機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究小組對(duì)仿生撲翼飛行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、驅(qū)動(dòng)方式、控制方法等多方面進(jìn)行 了深入研究,制作了第一代仿生撲翼飛行機(jī)器人樣機(jī)。本文簡(jiǎn)述課題小組在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)并仍將 有待深入研究的一些問(wèn)題,希望得到仿生撲翼飛行機(jī)器人研究人員的共同關(guān)注。1 仿生撲翼飛

7、行機(jī)器人樣機(jī)的研制課題組自行研制了氣動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái) 14,如圖 1所示,由低速小型風(fēng)洞和智能熱球式風(fēng)速儀 (手持式 、 高速攝像頭、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的拍動(dòng)裝置或微小型飛行機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、多維力 傳感器測(cè)量系統(tǒng)、頻率測(cè)試儀、工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集 5及處理系統(tǒng)等組成。利用氣動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了兩種飛行試驗(yàn):前飛和駐飛。當(dāng)風(fēng)洞有一定風(fēng)速時(shí),根據(jù)運(yùn)動(dòng) 相似性原理,風(fēng)速相當(dāng)于飛行機(jī)器人的前飛速度,在這種穩(wěn)定氣流條件下,研究飛行機(jī)器人前飛時(shí) 各項(xiàng)性能指標(biāo);當(dāng)風(fēng)洞風(fēng)速為零時(shí),研究飛行機(jī)器人駐飛時(shí)的氣動(dòng)力性能。收稿日期:2007-3-10基金項(xiàng)目:211工程振興行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目 (3008002102作

8、者簡(jiǎn)介:金曉怡(1966- ,女 (漢族 ,江蘇常州人,常州工學(xué)院副教授,東南大學(xué)博士生,從事仿生撲翼飛行機(jī)器人的研究。 圖 1 氣動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)工作圖仿生撲翼飛行機(jī)器人的試驗(yàn),采用了室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)法和室外放飛試驗(yàn)法。課題組立足現(xiàn)有試驗(yàn) 條件,通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn),成功測(cè)試了各種翅型在給定氣流條件下的受力情況,確定了本課題小組研制 的仿生撲翼飛行機(jī)器人的適用翅型,制作了第一臺(tái)柔性翅撲翼飛行機(jī)器人樣機(jī),成功進(jìn)行了多次室 外放飛 (圖 2 。 圖 2 柔性翅撲翼飛行機(jī)器人樣機(jī)室外放飛實(shí)況圖2 仿生撲翼飛行機(jī)器人研究中值得思考的幾個(gè)問(wèn)題2.1低雷諾數(shù)問(wèn)題雷諾數(shù)是表征流體運(yùn)動(dòng)中慣性力與粘滯阻力之比的一個(gè)參數(shù)。

9、在空氣動(dòng)力學(xué)理論中,用雷諾數(shù) 來(lái)表征空氣慣性力和粘滯阻力之比。與常規(guī)飛行器相比,微型飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)特性有很大的不 同 6。常規(guī)飛行器的雷諾數(shù)約在 861010之間,而微型飛行器的雷諾數(shù)大約在 51010之間 7。常 規(guī)飛行器由于雷諾數(shù)大,所受的空氣粘滯力相對(duì)很小,其作用可以忽略。而微型飛行器雷諾數(shù)小, 空氣的粘滯阻力不可忽略。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),雖然生物飛行速度低、雷諾數(shù)很低,但生物飛行的雷諾數(shù)尚未低到小于 1的 程度,如果忽略空氣粘滯力,將不會(huì)引起太大的誤差,故用分子動(dòng)量轉(zhuǎn)化為沖量的理論來(lái)分析仿生 飛行,有可行之處。例如:對(duì)雷諾數(shù)等于 10的飛行狀態(tài)而言,分析誤差在 10%左右,在分析生物飛

10、 行時(shí),考慮粘滯阻力僅能提高 10%左右的分析精度。一些文章中提到“昆蟲(chóng)飛行的雷諾數(shù)甚低,所 以昆蟲(chóng)翅膀在空氣中拍動(dòng)就好比人在蜜糖中游泳一般” , 以此來(lái)強(qiáng)調(diào)粘滯阻力的主導(dǎo)作用, 并以此為 基礎(chǔ)解釋生物飛行高升力機(jī)理。這一提法十分含糊,也不符合雷諾數(shù)的定義。因此,在分析生物飛行時(shí),不合適以考慮粘滯阻力為基礎(chǔ)來(lái)解釋生物飛行高升力機(jī)理,更不能 因此否定以動(dòng)量定理為基礎(chǔ)分析昆蟲(chóng)翅膀產(chǎn)生高飛行升力方法具有的合理性。低速小型風(fēng)洞 飛行機(jī)器人 試驗(yàn)樣機(jī) 多維力傳感 器測(cè)量系統(tǒng)飛行中的試驗(yàn)樣機(jī)東南大學(xué)仿生撲翼飛行機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究小組在探尋生物飛行高升力機(jī)理時(shí),以動(dòng)量定理為 理論基礎(chǔ),用“柔性楔形效應(yīng)”對(duì)昆

11、蟲(chóng)飛行高升力機(jī)理進(jìn)行了合理解釋 8,指出昆蟲(chóng)在前飛過(guò)程中 獲得很大升力的主要原因是“柔性楔形效應(yīng)” 。雖然昆蟲(chóng)翅翼運(yùn)動(dòng)既有主觀轉(zhuǎn)動(dòng)也有翅翼的自然柔性作用,但因?yàn)椤叭嵝孕ㄐ涡?yīng)”是昆蟲(chóng)飛 行高升力的主要因素,在仿生撲翼機(jī)器人的研制時(shí),翅翼運(yùn)動(dòng)的模擬方式將有可能只需采取簡(jiǎn)單的 節(jié)律運(yùn)動(dòng)。該研究結(jié)論將對(duì)仿生撲翼飛行機(jī)器人的研制產(chǎn)生重要影響。事實(shí)上,當(dāng)撲翼飛行器達(dá)到昆蟲(chóng)量級(jí)的時(shí)候,任何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)都將面臨難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題, 翅翼的驅(qū)動(dòng)方式也將面臨新的挑戰(zhàn) 9。從昆蟲(chóng)的實(shí)際飛行來(lái)看,其最主要的運(yùn)動(dòng)方式也應(yīng)該是采取 簡(jiǎn)單的節(jié)律運(yùn)動(dòng)。節(jié)律運(yùn)動(dòng)不是大腦直接控制的刻意行為,是動(dòng)物界最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式。從前面分 析

12、可知,昆翅具有柔性,在實(shí)際飛行中,昆翅受到空氣給予翅的作用力,昆翅在空氣動(dòng)力的作用下 產(chǎn)生變形,同時(shí),其翅的主邊 (leading edge 也會(huì)被動(dòng)地扭轉(zhuǎn)而使似在迎角和排流角發(fā)生改變,所以, 昆蟲(chóng)飛行時(shí),昆翅是在相對(duì)氣流的作用下發(fā)生隨動(dòng),也就是說(shuō),昆翅的搧翅運(yùn)動(dòng)主要是一種節(jié)律運(yùn) 動(dòng)。仿生運(yùn)動(dòng)的模擬越簡(jiǎn)單越容易穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn), 壓電驅(qū)動(dòng)、 電致伸縮器 10,11等各種人造筋驅(qū)動(dòng) (如圖 3所示 等不需要運(yùn)動(dòng)變換的直接驅(qū)動(dòng)方式將成為研究的熱點(diǎn)。這類(lèi)方案將比較容易解決撲翼機(jī)構(gòu)的 高頻和摩擦問(wèn)題,與自激拍動(dòng)的撲翼控制系統(tǒng)相結(jié)合,將能比較方便地實(shí)現(xiàn)撲翼節(jié)律運(yùn)動(dòng),并能有 效解決仿生撲翼飛行機(jī)器人研制過(guò)程中困

13、擾已久的重量大和能耗大的難題。 (a物理模型 (b數(shù)學(xué)模型圖 3人造筋驅(qū)動(dòng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型2.2非定常微分方程問(wèn)題很多文獻(xiàn)中指出:按定常微分方程對(duì)生物飛行問(wèn)題求解, 往往會(huì)得出錯(cuò)誤結(jié)論, 例如分析出黃蜂 的飛行升力不足以維持身體自重的一半。因此提出只有用非定常微分方程才能得到可信的結(jié)果,但 并沒(méi)有說(shuō)明用非定常微分方程中的哪一項(xiàng)或哪幾項(xiàng),使得昆蟲(chóng)飛行力的計(jì)算公式能算出兩倍于定常 微分方程計(jì)算的結(jié)果。其實(shí)非定常微分方程和定常微分方程的不同之處,在于前者中加入了時(shí)變參量 t , t 在分子動(dòng)力 學(xué)中描述分子運(yùn)動(dòng)時(shí)自身的慣性力以及溫度、壓強(qiáng)隨時(shí)間變化而引起的粘滯阻力的變化,例如:流動(dòng)剪切應(yīng)力dyd

14、v=中系數(shù) 的變化等等。一般而言,生物飛行中,時(shí)變問(wèn)題并不顯著,如果不能弄清生物飛行中的根本原理,即使采用 了非定常微分方程也未必能得出正確結(jié)論。2.3翅變形問(wèn)題目前關(guān)于仿昆飛行中產(chǎn)生高升力的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,采用的模型翅膀大多為剛性翅,國(guó)外 研究中比較成熟的昆蟲(chóng)飛行高升力機(jī)制有:拍合飛行“ Clap -Fling ” 12、延時(shí)失速 (Delayed Stall 13 14 15、 旋轉(zhuǎn)環(huán)流 (Rotational Circulation 15 、 尾流捕捉 (Wake Capture 15。 國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在研究昆翅 飛行力方面也取得了很大的成果 16,17。基于剛性翅的觀點(diǎn),研究者們大多

15、認(rèn)為,模擬大部分昆蟲(chóng)的翅翼運(yùn)動(dòng),在一個(gè)拍動(dòng)周期內(nèi)可以 分為四個(gè)階段 (如圖 4所示 :翅翼以一定迎角向下拍動(dòng)。 下拍至最低點(diǎn)時(shí)翅翼沿其軸向扭轉(zhuǎn), 改 變迎角并開(kāi)始上揮。翅翼以一定迎角上揮。上揮至最高點(diǎn)時(shí)翅翼沿其軸向扭轉(zhuǎn),改變迎角并開(kāi)始下拍。如此周而復(fù)始。 圖 4剛性翅運(yùn)動(dòng)示意圖研究昆蟲(chóng)飛行力時(shí),將昆蟲(chóng)翅膀看成一剛性薄板,進(jìn)行理論分析或?qū)嶒?yàn)研究,這樣的做法有值 得商榷之處。極薄的昆蟲(chóng)翅膀在氣體壓力作用下,必然產(chǎn)生變形。無(wú)論是對(duì)昆翅顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài) 觀察,還是在昆翅運(yùn)動(dòng)中對(duì)翅變形進(jìn)行測(cè)量 18,其研究結(jié)果都表明,翅是變剛度的柔性體。利用現(xiàn) 代光學(xué)測(cè)量技術(shù),可以進(jìn)行昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、包括運(yùn)動(dòng)中翅變形的測(cè)

16、定。清華大學(xué)曾理江教授在這方 面進(jìn)行了大量研究。從綜合測(cè)量昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)入手,利用非線性理論和方法,通過(guò)測(cè)量 建模 仿 真 驗(yàn)證的道路研究昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理。但很多研究者們雖然承認(rèn)這個(gè)事實(shí),卻認(rèn)為少量變形對(duì)其有效 面積影響不大,可以忽略。公式推理 8表明:翅變形所引起的問(wèn)題不僅是有效面積的改變,還影響了升阻比的大小。在仿 生飛行的仿生翅研究中,采用柔性翅模型將更顯合理。有關(guān)翅變形問(wèn)題,一方面,關(guān)于仿生飛行中 產(chǎn)生高升力的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,在采用剛性翅的模型翅膀已取得一系列成果的同時(shí),應(yīng)進(jìn)一步 考慮采用柔性翅的模型翅膀進(jìn)行研究;另一方面,翅翼的材料、結(jié)構(gòu)和變形將成為仿生撲翼飛行機(jī) 器人的研究重點(diǎn)之一。

17、3 結(jié)束語(yǔ)微型化是仿生撲翼飛行機(jī)器人研究的最終目標(biāo)。對(duì)于仿生撲翼飛行機(jī)器人來(lái)說(shuō),目前理論研究 相對(duì)比較少,樣機(jī)研制比較多。從公開(kāi)的資料來(lái)看,大多數(shù)功能比較簡(jiǎn)單,能實(shí)現(xiàn)飛行,但存在飛 行時(shí)間短、飛行距離有限、只能遙控飛行而不能自主飛行且不能完成比較復(fù)雜的任務(wù)等問(wèn)題,與到 達(dá)實(shí)用化階段還存在很大的距離。仿生撲翼飛行機(jī)器人的仿生原型是飛行生物,要設(shè)計(jì)出空氣動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)良的仿生撲翼飛行機(jī) 器人, 必須不斷完善生物飛行機(jī)理的研究, 必須正確理解低雷諾數(shù)下產(chǎn)生高升力的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題, 必須解決在材料、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、摩擦特性、加工方法、驅(qū)動(dòng)方式等方面很多由于結(jié)構(gòu)微型化而導(dǎo)致的 特殊問(wèn)題。因此,仿生撲翼飛行機(jī)器人

18、的成功研制,需要生物學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家和機(jī)器人專(zhuān)家 的共同努力和合作。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是:有關(guān)低雷諾數(shù)問(wèn)題,提出以動(dòng)量定理為基礎(chǔ)分析昆蟲(chóng)翅膀產(chǎn)生高飛行升 力方法具有合理性的觀點(diǎn);有關(guān)非定常微分方程問(wèn)題,提出非定常微分方程并非解決一切問(wèn)題之關(guān) 鍵的觀點(diǎn);有關(guān)翅變形問(wèn)題,提出采用柔性翅的模型翅膀進(jìn)行研究的觀點(diǎn)。本文所提出的上述問(wèn)題 及觀點(diǎn),希望得到仿生撲翼飛行機(jī)器人研究人員的共同關(guān)注。參考文獻(xiàn)(References 1 夏宇陽(yáng). 仿生撲翼飛行器的翅型設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)研究 D:碩士學(xué)位論文. 南京:東南大學(xué)機(jī)械系, 20042 王姝歆. 微型仿生飛行機(jī)器人飛行機(jī)理及其仿生翅運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)研究 D:博士學(xué)位論

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